酚醛树脂高温热解及质量引射机理模拟研究

作     者：叶致凡 崔智亮 邢浩运 赵瑾 文东升 Ye Zhifan;Cui Zhiliang;Xing Haoyun;Zhao Jin;Wen Dongsheng

作者机构：北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 

出 版 物：《空天技术》 (Aerospace Technology)

年 卷 期：2023年第2023卷第3期

页      面：71-78页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(52006004)。 

主　　题：高温气固界面 酚醛树脂 热裂解 质量引射 反应分子动力学 

摘      要：热防护材料(Thermal Protection Material,TPM)可保护在高温热环境中的飞行器避免烧毁或者过热等现象,现有的热防护材料主要包括非烧蚀类和烧蚀类,其中烧蚀型热防护材料主要包括碳/碳、碳/酚醛、高硅氧/酚醛等。酚醛树脂的热解会释放气体产物,引射至边界层并可能进一步影响气动特性,但目前酚醛树脂的热裂解过程及引起热解气体质量引射效应机理尚不清晰。针对酚醛树脂的热裂解过程及热解气体质量引射机理研究的不足,本研究采用反应分子动力学模拟方法研究了酚醛树脂聚合物热裂解的过程及气固界面的组分扩散过程。计算结果表明:酚醛树脂固体内部热裂解过程中,小分子产物主要包括H_(2)O、CO、H_(2)、C_(2)H_(2)和CH_(4)分子;材料温度越高,酚醛树脂聚合链热裂解的速度越快,通过本计算得到失水过程中H2O分子生成的活化能为124.98±7.99 kJ/mol,与试验数据对比吻合较好;此外,计算结果还表明,在低压时的酚醛树脂气固界面处,即使较低温度的情况也会发生酚醛树脂的热裂解反应,热解产物以H_(2)O、H_(2)和C_(2)H_(2)等小分子为主,并由酚醛树脂材料固体内部向边界层扩散形成质量引射效应,同时造成酚醛树脂固相材料内部的碳流失效应而形成类孔隙化结构。本研究方法有望为考虑酚醛树脂热防护材料的热裂解及质量引射过程提供定量边界层条件及科学理论基础。